胡时友,蔡 强,李超杰

(1.成都理工大学,四川 成都 610059；2.中国地质科学院探矿工艺研究所,四川 成都 611734；3.中国地质调查局地质灾害防治技术中心,四川 成都 611734；4.成都航空职业技术学院,四川 成都 610100)

我国受滑坡灾害危害严重,其中较为常见的一种滑坡类型是碎石土滑坡[1]。微型桩结构因布设灵活,适于复杂狭窄的地质环境条件下快速施工且效果显著,被大量应用在滑坡灾害防治工程中,且取得了良好的效果[2～4]。目前,国内外学者已取得较多的微型桩研究成果。闫金凯等[5]对微型单桩加固黄土滑坡进行模型试验研究,结果表明微型桩可有效提高滑坡的稳定系数,其受到的滑坡推力呈上小下大的三角形分布,位于滑面附近发生弯剪复合破坏。胡毅夫等[6]通过3组大型模型试验对比研究微型抗滑桩双排单桩与组合桩在加固边坡时的抗滑特性,研究表明桩体破坏有3种形式：桩体弯曲、桩土脱空、桩体断裂；双排单桩桩体自由段土压力沿桩身呈“S”型分布,桩前滑面层位存在桩土脱空区；后桩承受土压力大于前桩,土压力最大值在滑移面上10%桩长附近；组合桩加固效果更佳,较单桩抗滑力提高6.8%。冯君等[7]提出了微型桩加固顺层岩质滑坡3种类型,并应用有限元理论建立了微型桩体系的内力和变形的计算模型。孙书伟等[8]开展框架微型桩结构抗滑特性的模型试验研究,结果表明框架微型桩结构中微型桩顶水平位移与荷载之间为双曲函数关系,且框架梁在荷载作用下发生倾斜,后排微型桩产生较为明显的被拔出趋势。陈正等[9]运用有限元软件ABAQUS对现场柔性微型桩试验进行数值模拟,发现较大的桩径、较高的土体摩擦角对提高柔性微型桩水平承载力有显著作用。陈强等[10]通过离心模型试验研究注浆钢管微型桩的受力特征,研究表明前桩所受的最大土压力约为后桩的13.3%,前桩的弯矩曲线由反S型逐渐变为S型,而后桩的弯矩曲线一直呈S型。朱宝龙等[11]进行了裸坡与微型桩群加固边坡受力机理模型试验,结果表明加桩边坡模型的坡面水平位移远比裸坡模型小,且桩间距越小,坡面水平位移越小。刘鸿等[12]进行了空间桁架微型桩体系抗滑机制试验研究,在碎石土地质条件下,连系梁可以有效限制微型桩顶位移,并减小桩身弯矩,滑体中桩前土压力分布相对较为均匀,各排微型桩桩体的弯矩大小分布比较接近,最大弯矩位于滑面处。

以上研究成果大多数分析了矩形分布的微型组合抗滑桩的受力变形特性,也未考虑微型桩结构与岩土体间的相互作用对组合桩受力变形状态的影响。因此,本文通过开展梅花形布设的三排微型桩加固碎石土滑坡的物理模型试验,研究不同桩间距条件下各排桩的受力变形特征以及滑坡推力传递情况,为微型桩的设计提供科学依据。

1 物理模型试验设计

1.1 试验目的和内容

利用模型试验槽,对三排微型桩加固碎石土滑坡的过程进行模型试验,重现其抗滑的过程和特征。记录不同桩间距下三排微型桩桩顶位移、桩身应变和桩后土压力,分析微型桩群的受力变形特性。

1.2 模型试验相似条件

模型试验中,全部相似判据都满足的相似模型是极难获得的,只能使模型满足主要的相似判据。因此,模型试验过程中相似性重点满足野外模型几何特征和动力作用过程相似,几何相似比λL=1∶15,弹模相似比CE=1,其它相似性也做适当考虑。

1.3 模型材料

(1)模型桩

模型桩由PVC管灌注水泥砂浆制成,其中,PVC管的截面尺寸为直径d=2 cm,长0.55 m,水泥标号为325#,骨料采用的是粒径为1.0 mm的石英砂。

将模型桩简化为悬臂梁结构,在桩体顶端加集中荷载,通过多级加载进行模型桩的标定试验,根据弹性力学理论,得到模型桩的弹性模量E=0.04×104MPa。

(2)滑体材料

滑体土选择重晶石粉、石英砂、碎石颗粒和水进行配置,各种材料质量百分配比及试验材料的力学参数见表1、表2。

表1 岩土体材料配比Table 1 Mixture ratios of rock and soil materials

表2 试验材料的力学参数Table 2 Mechanical parameters of the test material

(3)模型底面

模型底部用一层厚0.07 m的黏土层制作。由于滑体的滑动主要靠后部的加载装置推动,模型底面土体的力学参数对滑体滑动的影响很小,因而不考虑其强度对模型滑动的影响。

1.4 三排桩试验模型制作

试验共分3组,每组10根模型桩,桩间距S分别为4d,5d,6d,其中第一排有3根桩,第二排有4根桩,第三排3根桩,三排桩呈梅花型布设。模型桩底部采用角钢夹具将其固定在模型底面上部,滑体厚0.45 m,长1.75 m,微型桩长0.55 m,制备的模型见图1、图2。

图1 试验模型剖面图Fig.1 Test model profile

图2 试验模型照片Fig.2 Test model photo

1.5 测试内容

考虑到试验模型完全对称及三排桩整体受力状态,并忽略掉边界效应的影响,取位于滑坡体中间位置的1#,2#,3#和4#桩作为测试桩(1#，4#桩位于第一、三排桩中线位置,2#，3#桩位于第二排桩临近中线位置的两侧,图2),在测试桩位于滑面、滑面以上4 cm和9 cm处敷贴应变片以测试桩身力学状态,另在测试桩桩后位于滑面以上4 cm和15 cm处埋设土压力计，以测试桩体承受滑坡推力的状态。此外,在测试桩顶设置位移控制点,监控加载过程中桩顶位移变化情况。

1.6 加载设计

滑坡发生滑动时,滑坡推力始终稳定作用在抗滑桩上,为模拟这个过程,在模型试验中用量程为20 kN的推力加载装置对模型桩后土体施加荷载,用以模拟微型桩所受到的滑坡推力,加载方式为分级加载,加载幅度为每次使滑体向滑坡前缘移动10 mm,滑体位移以L表示。在每级荷载施加后,均要持荷一定时间,至桩结构受力和变形趋于稳定后才施加下一级荷载。

2 试验结果分析

通过研究测试桩的桩顶位移、桩后土压力、桩身弯矩和滑坡推力传递系数分布情况,揭示不同桩间距下三排微型桩受力变形特性和滑坡推力传递规律。

4a 1H NMR(CDCl3) δ:8.15-8.12(m,3 H),7.90-7.87(m,1 H),7.50-7.45(m,4 H),7.40-7.35(m,1 H).

2.1 桩顶位移分析

根据试验结果,建立不同桩间距下各排模型桩桩顶位移变化曲线,如图3所示。

图3 桩顶位移变化曲线Fig.3 Displacement of pile top

加载开始后,一段时间内(滑体位移L≤100 mm)微型群桩桩顶位移基本保持为0,这是由于水平推力大部分都耗散在是滑坡体后缘土体挤压密实的过程中,当后缘土体达到一定密实程度后,传递到微型群桩的推力逐渐增大,排桩桩顶位移开始明显增长。随着水平推力的增长,位移变化曲线出现突变点,曲线斜率陡然增大,桩顶位移快速增加,表明微型桩进入弹塑性工作阶段。

在整个加载过程中,第一排桩顶位移增长的速度最快,第二、三排桩依次减小,说明各排桩受到的滑坡推力逐渐减小。而桩间距为12 cm时,微型群桩各排桩顶移最大,桩间距为10 cm时最小,表明桩间距越大,微型群桩对桩间土的遮蔽阻挡效果越差,桩与土体共同作用的整体性越差。

2.2 不同桩间距下桩后土压力分布规律

根据试验测试结果,不同滑体位移和桩间距下,滑面以上4,15 cm处的桩后土压力(滑坡推力)分布规律如图4所示。

加载开始后,由于滑坡体后缘土体处于瞬时变形阶段,各排桩滑面上埋设的土压力计基本上没有测得有效应力值。随着滑体压缩变形持续增长,第一、二排桩后和桩间土拱效应自上而下逐渐增强,通过土拱传递到第一、二排桩上的滑坡推力逐渐增大,且越靠近滑面处的滑坡推力增长越快。第三排桩后土压力基本保持不变,表明滑坡推力基本由第一、二排桩承担,传递到第三排桩上的滑坡推力非常小。随后,桩间土拱被破坏,第一排桩进入弹塑性工作阶段,桩后土压力曲线出现突变点,土压力激增,很快第一排桩后土压力达到峰值,微型桩失效破坏,随后桩后土压力急剧减小,第二排桩后土压力快速增长,通过第三排桩后土拱传递到第三排桩上的土压力呈现明显的增长趋势。

图4 持续滑动条件下桩后土压力分布曲线Fig.4 Soil pressure distribution curves of the pile in the condition of continual slide

S=4d时,当L≤100 mm,各排桩滑面上2个测点的土压力均为0。当L=150 mm,第一排桩后土压力曲线出现突变点,桩后土拱形成。随着滑体的持续滑动,由于微型桩将不稳定土体内的应力传递到稳定土体内,进行应力重分布,第一、二排桩土压力呈现阶梯式的增长。当L>280 mm,第一排桩进入弹塑性受力阶段,桩后土拱被破坏,土压力达到峰值,桩体抗滑失效。在整个加载过程中,传递到第三排桩上的推力较小,桩后土压力的增长不明显。

S=5d时,随着滑体的持续滑移,通过桩后土拱传递到第一排桩上的推力逐渐加大,各排桩后土压力大幅度增长,曲线斜率基本相同。当L>340 mm,第一排桩达到弹性受力极限,很快桩后土压力就达到峰值,第一排桩失效破坏,逐渐退出抗滑状态。第二排桩承担主要的滑坡推力,其桩后土压力快速增加,传递到第三排桩上的推力加大,但没有引起桩体明显的变形,桩后土压力较小。

2.3 不同桩间距下桩身弯矩分布规律

假设微型桩始终处于弹性工作阶段,根据标定试验测出的模型桩的弹性模量和沿桩身粘贴的应变片测出的应变值,由式(1)可计算出相应测点的弯矩值。

M=Wz·E·ε

(1)

式中：Wz——模型桩横截面抗弯系数；

E——模型桩的弹性模量；

ε——桩身应变值。

不同滑体位移和桩间距下,桩身的弯矩分布曲线如图5～7所示。

根据试验结果,加载开始一段时间内模型桩的弯矩增长非常缓慢,微型桩基本没有产生明显位移(OA段),这是由于水平推力大部分用来克服桩后土体的阻滑力和挤压密实滑坡后缘土体,只有小部分的推力传递到桩上；随着滑体持续滑动,土拱效应逐步增强,桩间土体向两侧的桩上传递推力增大,桩身弯矩快速增长,微型桩处于弹性工作阶段(AB段)。随后弯矩分布曲线出现突变点(B点),此时微型桩进入弹塑性受力状态,直至破坏。

图5 桩间距为4d的桩身弯矩图Fig.5 Diagram of pile spacing of 4d bending moment

图6 桩间距为5d的桩身弯矩图Fig.6 Diagram of pile spacing of 5d bending moment

图7 桩间距为6d的桩身弯矩图Fig.7 Diagram of pile spacing of 6d bending moment

微型桩从上到下桩身弯矩由小到大,且模型底面处的桩身弯矩最大,表明该处为桩身最危险截面。

S=4d时,当L≤100 mm,微型桩结构没有产生位移,桩身弯矩基本为0(OA段)。随着滑体的持续滑动,作用在第一排桩上的推力变大,桩体产生明显的弯曲变形,桩身弯矩增大。当L=110 mm,推力开始传递到第二排桩上,桩身弯矩曲线出现突变点C,曲线斜率陡增,第三排桩桩身弯矩仍然保持不变。当L=280 mm,第三排桩桩身弯矩曲线出现突变点G,H,表明排桩间土拱达到最佳传力状态,三排桩开始共同承受推力作用。当L=300 mm时,第一排桩身弯矩达到其极限抗滑状态,桩体逐渐退出抗滑状态,由第二、三排桩承担推力作用。

S=5d时,当L<100 mm,水平推力主要用来挤压密实滑坡后缘土体(OA段),各排桩桩身弯矩基本为0。当L=90 mm,各排桩桩身弯矩曲线出现突变点A,C,E,桩身出现明显的弯曲变形。随着滑体的持续滑动,桩排间和桩后土拱效应增强,滑坡推力较好地在各排桩间传递,桩身弯矩快速增长。当L=220 mm,第三排桩出现突变点F,桩身弯矩增长加快,说明传递到第三排桩上的滑坡推力加大,桩前坡体出现裂缝。当L=250 mm,第一排桩后土拱达到极限状态,桩身弯矩激增,第一排桩进入弹塑性变形阶段,桩体内部开始出现裂纹,抗弯刚度开始下降,滑体前缘裂纹数量也增多,且裂缝宽度加大。当L=270 mm,第二排桩出现突变点D,表明滑坡推力大部分开始由第二、三排桩共同承担,这时第三排桩身弯矩曲线斜率陡增,桩身弯矩大幅度增长。当L=340 mm,第一排桩达到最大抗滑弯矩,桩体内部裂纹数量增多,第一排桩失效破坏。

S=6d时,OA段桩身弯矩基本为0。随着滑体的持续滑动,第一排微型桩进入弹塑性工作阶段(AB段),桩体弯曲变形和弯矩增大,通过桩排间土拱传递到第二、三排桩的推力加大。当第三排桩桩身弯矩曲线出现突变点G,H时,三排桩开始整体受力,类似抗滑挡土墙。当L=310 mm,第一排桩身弯矩达到其极限抗滑状态,桩体逐渐退出抗滑状态,由第二、三排桩承担推力作用,它们的桩身弯矩骤增。

2.4 滑坡推力传递系数分析

由于模型尺寸较小,可不考虑摩阻力的影响,同时忽略桩排间和桩前土体抗力的作用,独立布置的微型桩结构可简化为相互独立的悬臂桩结构,此时,在各排桩失效前,它们承担的滑坡推力的比值与各自的桩身最大弯曲应变比值一致。

根据试验结果,滑体位移L超过100 mm后,桩身才产生明显的弯曲变形,因此,利用L>100 mm后各排桩处于弹性阶段的弯曲应变值分析滑坡推力传递系数的分布规律。

令：

则滑坡推力传递系数分布规律如图8所示。

图8 滑坡推力传递系数分布曲线Fig.8 Distribution curves of the landslide thrust transmission coefficient

桩间距为4d,5d和6d的三排微型桩结构对应的α分别在(0.23,0.5)、(0.54,0.71)和(0.47,0.68)之间取值,β分别在(0.25,0.3)、(0.27,0.49)和(0.21,0.47)之间取值,表明桩间距为5d时,三排桩的整体受力性能最好,滑坡推力在排桩间较好地传递。

3 结论

(1)在同等滑坡推力作用下,桩间距为5d时,微型桩群与桩间土协同作用效果最理想,桩顶位移最小,桩间距4d时次之,桩间距6d时最大。

(2)微型桩承受的滑坡推力和桩身弯矩沿桩身埋设方向呈自上而下逐渐增大趋势,三排微型桩群均以第一排桩达到其弹性受力极限而失效,且桩间距为5d的微型桩群最晚失效。

(3)滑坡推力沿排桩呈逐渐减小趋势,桩间距5d时,滑坡推力在排桩间分布较理想,排桩间滑坡推力传递系数α,β分别在(0.54,0.71)和(0.27,0.49)间取值。

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